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化學(xué)專業(yè)助力低空經(jīng)濟核心電池技術(shù)發(fā)展

    隨著低空經(jīng)濟在全球范圍內(nèi)迅速崛起，作為其關(guān)鍵支撐的動力系統(tǒng) —— 電池技術(shù)，正成為科研與產(chǎn)業(yè)界關(guān)注的焦點。在眾多推動低空經(jīng)濟發(fā)展的技術(shù)中，電池技術(shù)的突破對于提升飛行器性能、拓展應(yīng)用場景有決定性作用。而化學(xué)專業(yè)在這一核心領(lǐng)域扮演著無可替代的關(guān)鍵角色。​
低空經(jīng)濟與電池技術(shù)的緊密關(guān)聯(lián)​
    低空經(jīng)濟涵蓋無人機物流、城市空中出行（UAM）、電動垂直起降飛行器（eVTOL）等多元應(yīng)用場景。飛行器的續(xù)航能力、載重水平、運營成本以及安全保障，很大程度上取決于電池的性能。例如，在無人機物流配送中，長續(xù)航的電池能夠讓無人機一次性完成更遠距離的貨物運輸，減少充電頻次，提高配送效率；對于 eVTOL 而言，高能量密度的電池是實現(xiàn)載人飛行并具備商業(yè)可行性的基礎(chǔ)，它直接關(guān)系到飛行器的航程和有效載荷。​
化學(xué)專業(yè)在電池關(guān)鍵技術(shù)中的貢獻​
電極材料研發(fā)​
    1.高鎳三元正極材料創(chuàng)新：中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所陳忠偉院士團隊在研發(fā)高比能寬溫域鋰離子電池時，通過創(chuàng)新高鎳三元正極材料設(shè)計，大幅提升了電池比容量。化學(xué)專業(yè)人員深入研究材料的晶體結(jié)構(gòu)、元素組成與性能之間的關(guān)系，通過精確調(diào)控鎳、鈷、錳等元素的比例，優(yōu)化材料的電子結(jié)構(gòu)和離子傳輸通道，使正極材料能夠存儲更多的鋰離子，從而提高電池的能量密度。這種對材料微觀層面的深入理解和精確調(diào)控，正是化學(xué)專業(yè)知識和技能的集中體現(xiàn)。​
     2.負極硅碳復(fù)合材料優(yōu)化：同樣在該團隊的研究中，負極采用硅碳復(fù)合結(jié)構(gòu)。硅具有較高的理論比容量，但在充放電過程中會發(fā)生較大的體積膨脹，導(dǎo)致電極結(jié)構(gòu)破壞，循環(huán)壽命縮短�；瘜W(xué)專業(yè)人員通過在硅顆粒表面包覆碳材料，構(gòu)建多孔碳骨架等方法，有效緩沖硅顆粒的膨脹應(yīng)力，提高材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。同時，通過化學(xué)修飾等手段改善硅碳之間的界面性能，增強電子傳導(dǎo)和離子傳輸效率，使負極材料能夠更好地與正極材料匹配，提升電池整體性能。​
電解液配方優(yōu)化​
      特殊配方的超低溫電解液是實現(xiàn)電池在寬溫域穩(wěn)定工作的關(guān)鍵技術(shù)之一。化學(xué)專業(yè)人員通過引入低冰點溶劑和功能化添加劑，顯著降低電解液的凍結(jié)點。例如，在低溫環(huán)境下，他們選擇合適的有機溶劑，如碳酸乙烯酯（EC）、碳酸二甲酯（DMC）等的混合溶劑，并添加特殊的功能添加劑，如氟代碳酸乙烯酯（FEC）等。這些添加劑能夠在電極表面形成穩(wěn)定的固體電解質(zhì)界面（SEI）膜，抑制電解液的分解，確保在零下 40 攝氏度的環(huán)境下，離子仍能保持良好的傳導(dǎo)性能，維持電池的充放電效率。對電解液各成分的精確選擇、配比以及對其在不同溫度下物理化學(xué)性質(zhì)的深入研究，都是化學(xué)專業(yè)在電池技術(shù)領(lǐng)域的重要工作。​
隔膜材料創(chuàng)新​
      研發(fā)兼具耐高溫與抗低溫性能的新型復(fù)合隔膜，對于保障電池的安全性和寬溫域穩(wěn)定性至關(guān)重要。化學(xué)專業(yè)人員運用化學(xué)合成、材料改性等手段，開發(fā)出具有特殊結(jié)構(gòu)和性能的隔膜材料。例如，通過在傳統(tǒng)聚烯烴隔膜表面涂覆耐高溫的陶瓷顆�；蚓酆衔锿繉�，提高隔膜的熱穩(wěn)定性，防止在高溫環(huán)境下隔膜收縮導(dǎo)致正負極短路。同時，對隔膜的微觀孔隙結(jié)構(gòu)進行精確調(diào)控，使其在低溫環(huán)境下仍能保持良好的電解液浸潤性和離子透過性。在材料的合成、改性以及對隔膜微觀結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系的研究方面，化學(xué)專業(yè)的知識和技術(shù)發(fā)揮著核心作用。​
化學(xué)專業(yè)推動電池技術(shù)發(fā)展的實際案例​
      中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研發(fā)的高比能寬溫域鋰離子電池，成功適配新型工業(yè)級復(fù)合翼無人機并完成試飛。該電池能量密度高達每公斤 400 瓦時，模組能量密度達 340 瓦時每公斤，可在零下 40 攝氏度至零上 60 攝氏度的寬溫域環(huán)境中穩(wěn)定工作。在試飛過程中，無人機順利完成起飛、爬升、高速巡航、降落等環(huán)節(jié)，高質(zhì)量完成 3 小時飛行試驗。這一成果背后，是化學(xué)專業(yè)人員在電極材料、電解液、隔膜等多個關(guān)鍵技術(shù)方面的協(xié)同創(chuàng)新。又如中國航空發(fā)動機集團北京航材院的石墨烯電池，通過化學(xué)方法將石墨烯引入電池體系，利用其獨特的二維結(jié)構(gòu)，提升了電池的能量密度、低溫性能和快充能力，能量密度提升 50%，在零下 40℃環(huán)境下仍可 3C 放電，適用于高原、極寒等特殊場景，為低空經(jīng)濟飛行器在復(fù)雜環(huán)境下的應(yīng)用提供了可能。​
化學(xué)專業(yè)在低空經(jīng)濟電池技術(shù)領(lǐng)域的未來展望​
        隨著低空經(jīng)濟的快速發(fā)展，對電池技術(shù)的要求將不斷提高�；瘜W(xué)專業(yè)將在探索新型電池體系方面發(fā)揮重要作用，如固態(tài)電池、氫燃料電池、鈉離子電池、鋰硫電池等。在固態(tài)電池研究中，化學(xué)專業(yè)人員需要解決固體電解質(zhì)與電極材料之間的界面兼容性問題，開發(fā)高性能的固體電解質(zhì)材料，優(yōu)化電池的制備工藝，降低成本，推動固態(tài)電池在低空經(jīng)濟領(lǐng)域的規(guī)�；瘧�(yīng)用。對于氫燃料電池，化學(xué)專業(yè)將聚焦于提高催化劑的活性和穩(wěn)定性、優(yōu)化膜電極結(jié)構(gòu)、降低系統(tǒng)成本等關(guān)鍵技術(shù)難題。同時，在電池回收與二次利用方面，化學(xué)專業(yè)人員能夠利用化學(xué)方法高效回收電池中的有價金屬，實現(xiàn)資源的循環(huán)利用，降低環(huán)境污染，為低空經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展提供保障。
    來源：沈靖皓 黃夢涵 黃嘉穗 陳麟鈺
    發(fā)布時間：2025-08-28    閱讀：
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